《磁功能复合材料》PPT课件.ppt

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1、上节回顾:,磁性材料,磁化强度M、磁化率及磁导率,一、基本概念,1.抗磁性（反磁性）,2.顺磁性,3.铁磁性,压磁性（Piezomagnetism）,磁弹性（magnetostriction）,磁畴,4.反铁磁性,5.亚铁磁性(Ferrimagnetism),二、应用,1.电工钢（软磁材料）,软磁材料磁滞回线,（1）铁芯损耗(core losses),（2）晶粒取向,（3）芯材料的组分,（4）非晶磁体Amorphous metals(metallic glasses),2.永磁体（硬磁材料）,Alnico合金(少量的Cu和Ti),3.磁记录和磁存储,磁头(recording head),随机存

2、储,磁光盘,第二节 磁功能复合材料,一、磁性（复合）材料组分的属性分类：,1.氧化物磁性（复合）材料：,MOx,(1)面心立方晶格型化合物 FeO、MnO、EuO等,(2)尖晶石铁氧体 AB2O4型化合物,MFe2O4:NiFe2O4,ZnFe2O4,Mn/Zn/Fe三元系铁氧体 高频磁芯Mn/Mg/Fe 矩形磁滞材料Ni/Zn/Fe 高频磁芯,(3)AOnB2O3型化合物,BaO6Fe2O3,SrO6Fe2O3,2.金属合金类磁性（复合）材料,含铁、镍、钴的磁性材料：Fe/Ni,Fe/Pt,Fe/Pd等,不含铁、镍、钴的磁性材料：Mn/Cr/Al,Mn/As,Mn/Sb等,3.聚合物基磁性复

3、合材料,导磁性能估算,在一定的浓度范围内：=VAA+VB B,=VAA+VBB,”=VA”A+VB”B,实部：,虚部：,颗粒状磁性材料填充量低时：,相对磁导率：r(V)=1+AV,对于球形粒子：,r(V)=1+3V,比例增加：,r(V)=1+BV2,两种磁粉，形态相似：,r(V1,V2)=1+B1V12+B2V22,电磁屏蔽原理,电场的屏蔽,用导体空腔屏蔽，导体空腔接地,静电屏蔽,导体内部电场为零导体表面任一点的电场强度矢量与表面相垂直导体表面是等位面电荷只能分布在导体表面上,二、电磁波屏蔽复合材料,交变电场的屏蔽,用电路模型讨论,无屏蔽体：耦合电容越大，电场感应越严重;屏蔽体不接地：C3、C

4、5均大于C1，电磁感应仍然很强;屏蔽体接地：C1”远小于C1，场源A对接受器的电场感应大大减弱。,磁场的屏蔽,利用良导体中感应电流产生的磁场总是抵消源磁场变化的原理实现的。,屏蔽体中的感应电流：,高频下感应电流产生的磁场足以抵消线圈磁场的干扰，起到屏蔽的作用；当频率高到一定程度时，感应电流就不再随频率提高而增大。低频下屏蔽体内的感应电流比较小，不能完全抵消线圈磁场的干扰。,对高频磁场的屏蔽，rs越小越好，采用良导体进行高频磁场的屏蔽，屏蔽体接地可以同时起到电场和磁场屏蔽的作用。,高频磁场的屏蔽,高频下,低频下,低频磁场的屏蔽,利用高导磁材料所具有的低磁阻特性，使磁场通过磁阻小的通路而不扩散到周

5、围空间去，达到磁场屏蔽的作用。,屏蔽效能：shielding effect(SE),不存在屏蔽体时某处的电磁波功率/存在屏蔽体时该处的电磁波功率,对于良导体Ag、Cu和Al等金属材料，电导率大，R值大。反射是屏蔽的主要机制；对于Fe和磁钢等高导磁性材料，磁导率大，A值大，吸收是屏蔽的主要机制。,电磁波屏蔽性能主要取决于材料的导电性；与频率相关。复合材料：导电网络的形成。,SE=R+A+BR+A,与屏蔽性能相关的因素,电磁波屏蔽性能主要取决于材料的导电性与功能体、基体和制备工艺相关,功能体,炭黑、金属粉：脆性大碳纤维、金属纤维：优异的屏蔽衰减性能和物理机械性能；但价格高，对模具、加工设备磨损严重

6、有机或无机纤维表面化学镀铜：优良的导电性能和较好的导磁性能，但是金属镀层与纤维表面必须有足够的结合力,粒子尺寸：尺寸越小，粒子的表面积增大，粒子之间的接触机会增加，形成导电通道机会增多基体层厚度小，粒子接触机会增加，形成粒子链而导电；隧道电流,填充量：,临界体积填充分数：导电网络形成,长径比,屏蔽效果还受基体和制备技术的影响,不锈钢纤维（SSF）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)不锈钢纤维（SSF）/聚丙烯（PP）复合材料,复合材料的导电性能：,复合材料中纤维含量与体积电阻率的关系：,原因：一方面ABS比PP表面张力大，包裹纤维更紧密，纤维间接触电阻较大，造成在相同纤维含量时SSF/AB

7、S复合材料的体积电阻率大。PP是结晶性聚合物，受PP结晶的影响，金属纤维在非晶区富集较多而容易形成导电网络。,金属纤维/聚合物复合材料的电磁屏蔽性能,PP,ABS,屏蔽材料的发展：,多层化、多功能化,兼顾吸收效果,PP,ABS,吸波复合材料,吸波频带宽吸收能力高重量轻、物理力学性能好易成型,吸波基本原理：干涉作用和吸收作用,吸收作用：电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部，即电磁匹配要好（匹配特性）进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损耗要大（衰减特性）,电磁波的传播,沿+z方向传播的均匀平面波，场量只在沿传播方向即z方向变化，而在xy平面内无变化。,电场强度的波动方程：,电场

8、强度x分量的波动方程：,波速：,复介电常数和复磁导率,波数,波阻抗：,正弦电磁波：,复波动方程：,运动电子在电磁场中所受到的洛仑兹力为：,弹性恢复力,阻尼力,电子在外电场作用下的运动方程：,假设：,又,只考虑电场,损耗角正切值：,电介质在高频下损耗增大的原因可解释为介质中存在阻尼力，电介质的极化跟不上外加高频电场的变化，因而极化强度的变化在相位上总是落后于电场强度。,电极化强度矢量最大值：,相对介电常数：,有耗媒质的复磁导率,磁损耗角,磁损耗机理：,磁滞损耗：在静态磁化过程中，没有考虑磁化强度达到稳定状态的时间效应。由于磁化过程中的壁移和畴转是以有限速度进行的，磁感应强度的变化落后于磁场变化：

9、磁滞现象。由畴壁的不可逆移动或磁矩的不可逆转动而引起的损耗。,涡流损耗：涡流（感应电流）对铁磁体的复数磁导率产生影响，在铁磁导体内产生焦耳热，造成能量损耗。,磁后效损耗：磁后效现象是铁磁材料的磁感应强度随磁场变化的延迟现象。包括扩散磁后效和热涨落磁后效,尺寸共振效应：电磁波在介质中传播时，如果介质样品（或内部颗粒）尺寸接近或等于波长的一半的整数倍，则在样品内部形成驻波，因而强烈的吸收电磁波的能量的现象。,铁磁共振：,自然共振损耗：对于铁磁材料，由于存在磁晶各向异性等效场，因此在没有外加稳恒磁场的情况下也会发生铁磁共振。,畴壁共振：当铁磁材料受到交变磁场的作用时，畴壁将因受到力的作用而在其平衡位

10、置附近振动。当外加交变磁场的频率等于畴壁振动的固有频率时所发生的共振。,自旋波共振：在铁磁材料中，由于热骚动或其他因素的影响，某些对磁性有贡献的电子自旋偏离了原来的有序排列方向，在交换作用及磁偶极距等的相互作用下，这个局部偏离的自旋发生进动并向有序体的其他部分传播。它是磁有序体的自旋的集体运动模式。,铁氧体的典型磁导率谱曲线,第三区：高频阶段，急剧下降，而 迅速上升，主要是由于畴壁的共振或弛豫。,第一区：和 变化很小,第四区：出现共振型磁谱曲线，主要是自然共振第五区：属于自然交换共振区域，实验观测尚不多。,第二区：和 变化也很小，有时 出现峰值，称为内耗，也有时出现尺寸共振,匹配特性：,反射系

11、数：,阻抗：,吸波性能的表征,反射功率/入射功率，单位分贝（dB）,电磁波吸收剂的类型,电阻型吸收剂,具有较高的介电损耗正切，依靠介质的电子极化或界面极化衰减（涡流损耗）来吸收电磁波,例：碳纤维吸收剂,F-22 铝合金、钛合金和复合材料的比例分别为：16%，39%，24%外蒙皮均为碳纤维、玻璃纤维增强的双马来酰亚胺吸波材料。,吸波机理：碳纤维属于有机物转化而成的过渡态碳，电性能近似于金属，离子导电。,趋肤效应产生的涡流损耗 每束碳纤维之间的部分电磁波经散射而发生类似相位相消现象。,电介质型吸波剂,通过介质极化弛豫损耗来吸收电磁波。,功能陶瓷材料SiN。纳米氮化硅在102-106Hz有比较大的介电损耗，这种强介电损耗是由于界面极化引起的，界面极化是由于悬挂键而形成电偶极矩产生的。掺杂N使SiC中的载流子浓度明显增大，从而调节电阻率。,磁介质型吸波剂,铁氧体：双复介质材料，其对电磁波的吸收，在介电特性方面来自极化效应；而其磁性方面，主要是由自然共振决定的。,